Micrographie SEM d'un balayage de paramètre cuboïde comprenant 10 x 10 éléments fabriqués via TPP à partir de la résine photosensible IP-Q. Crédit :Les auteurs doi :10.1117/1.JOM.2.3.033501.
La fabrication additive (FA) utilisant la lithographie par polymérisation à deux photons (TPP) est de plus en plus utilisée dans l'industrie et la recherche. Actuellement, une contrainte majeure du TPP en général et du matériau IP-Q en particulier (Nanoscribe GmbH, Allemagne) est l'accès limité des utilisateurs aux connaissances sur les propriétés des matériaux. En raison de la nature du processus, les propriétés élastiques en particulier dépendent non seulement du matériau utilisé, mais également de la taille de la structure, du processus et des paramètres de fabrication. Par exemple, avant les recherches récemment publiées dans le Journal of Optical Microsystems , aucune valeur de degré de conversion (DC) et de module de Young (E) pour IP-Q n'a été rapportée.
En raison de la nature du processus, les propriétés élastiques en particulier dépendent non seulement du matériau utilisé, mais également de la taille de la structure, des paramètres du processus et de la stratégie d'éclosion. Une approche courante utilise une combinaison de spectroscopie Raman et de nanoindentation pour caractériser le DC du monomère au polymère mesurable via la spectroscopie Raman, qui peut ensuite être liée au comportement mécanique du matériau, mesurable via la nanoindentation.
Les recherches en cours sur les métaréseaux acoustiques et les métamatériaux fabriqués sur MEMS bénéficieraient de paramètres élastiques optimisés pour permettre l'ajustement du comportement acoustique, car ils affectent directement l'impédance acoustique caractéristique. La FA englobe des processus avec lesquels des objets peuvent être créés en trois dimensions à partir d'un dessin technique. Les données sont envoyées à un système AM, qui effectue ensuite la fabrication. La FA via TPP est basée sur le durcissement sélectif d'un précurseur liquide pour créer des structures solides à l'intérieur d'une goutte de monomère. Ensuite, le liquide restant est lavé. Les applications TPP bien connues sont les structures optiques submicroniques, où le photoresist IP-Dip (Nanoscribe GmbH, Allemagne) est couramment utilisé. La résine photosensible IP-Q, plus récemment développée, a été conçue par le même fabricant pour des applications plus importantes, par ex. supports, moules et métamatériaux structuraux. Des structures d'échantillons de chacun des deux photoresists ont été produites dans des balayages de paramètres. Cela permet la comparaison des paramètres de processus aux caractéristiques résultantes. La spectroscopie Raman a été utilisée, qui est une méthode d'analyse sans contact pour la caractérisation des matériaux dans laquelle la lumière monochromatique est diffusée sur le matériau.
La réflexion comprend non seulement la longueur d'onde irradiée mais également la diffusion Raman. Les pics caractéristiques du spectre de diffusion Raman peuvent être utilisés pour l'identification de substances chimiques. Dans notre travail, il a été utilisé pour déterminer le rapport monomère/polymère (ou DC) dans les échantillons de TPP.
Nuage de points du module de Young de 92 cuboïdes viables basés sur IP-Dip par rapport à leur valeur DC correspondante, y compris une ligne pointillée avec =(9,52 DC - 0,56) GPa représentant les points de données ajustés de Bauer et al. ( a ) et un nuage de points de la valeur de 68 cuboïdes viables basés sur IP-Q ( b ) par rapport à leur DC correspondant. Les mesures d'indentation des échantillons IP-Q et IP-Dip ont un écart type relatif en moyenne de 2,5 % et 3,7 %, respectivement. Crédit :Les auteurs doi :10.1117/1.JOM.2.3.033501
Des micro- et nano-indentations ont été utilisées pour tester les propriétés mécaniques des échantillons. Une pointe dure dont les propriétés mécaniques sont connues est enfoncée dans l'échantillon dont les propriétés sont inconnues. À partir de la pente de la courbe charge/déplacement, les valeurs E ont été calculées.
Enfin, les balayages de paramètres des structures d'échantillons cuboïdes fabriquées à l'aide de TPP ont été étudiés à travers les paramètres de puissance laser et de vitesse de balayage pour trouver des propriétés dépendantes. Les photorésists utilisés ont été examinés à l'aide de la spectroscopie Raman pour trouver le DC du monomère au polymère, puis une micro- ou nanoindentation a été utilisée pour trouver E.
Pour IP-Dip, les DC et E atteints variaient de 20 à 45 % et de 1 à 2,1 GPa, respectivement. Les résultats ont été comparés aux rapports trouvés dans la littérature. Pour IP-Q, les DC et E atteints variaient de 53 à 80 % et de 0,5 à 1,3 GPa, respectivement. Les propriétés caractérisées d'IP-Q se manifestent comme l'état actuel des connaissances du matériau.
"Par ce moyen, offrir une approche pour optimiser les paramètres élastiques des structures fabriquées en TPP sera bénéfique pour divers sujets de recherche en cours. Une application prometteuse pour cette méthode est la caractérisation des paramètres élastiques des métaréseaux acoustiques et des métamatériaux fabriqués sur MEMS. Ces dispositifs peut ensuite être mis en œuvre de manière bénéfique dans les sciences de la vie, la mobilité et les applications industrielles », a déclaré Severin Schweiger de l'Institut Fraunhofer des microsystèmes photoniques et de l'Université de technologie de Brandebourg en Allemagne. Une étude révèle des preuves de la diffusion Raman résonante des phonons de surface de Cu(110)
